191室内热湿环境下的人体生理及热感觉研究

室内热湿环境下的人体生理及热感觉研究重庆大学曹晓庆郑洁李百战刘红李文杰
摘要确立夏热冬冷地区适应性热舒适温度设计标准是改善居住建筑室内热环境状况，降低建筑能耗，发展可持续建筑的迫切需要。

为了切实改善夏热冬冷地区室内的热环境状况,降低空调与采暖能耗,本论文以重庆典型的夏热冬冷气候为研究背景，通过实验室研究方法研究受试者的热调节系统涉及的心率、血压、出汗等生理机能受热环境参数的影响程度及影响趋势，加入了新的评价人体生理机能的指标，如体表温度。

同时进行热舒适问卷调查，从主观和客观两个方面开展室内环境对人体生理及热舒适影响的研究。

关键字热调节热感觉热舒适热湿环境
1 引言
人体对环境的调节方式有热调节、神经调节、脑调节等。

重庆大学陈良等通过研究在不同季节下的室内热环境对人体感觉神经传导速度（SCV）及运动神经传导素的的影响（MCV）后发现：在夏季高温下，空气温度对MCV、SCV无显著影响；在夏季极高温环境下，空气流速对人体神经传导速度无显著影响[1]。

重庆大学的潘信峰通认为：P300（事件相关电位）在各季节各工况下差异也都不显著[2]。

因此从人体生理节角度，尤其是人体自身的热平衡角度来探讨室内热湿环境参数对人体生理的影响显得十分的必要。

人体热调节与室内热湿环境密切相关，室内热湿环境因素主要有：空气温度、空气湿度、空气流速和环境平均辐射温度。

它们并不是完全独立的变量，而是相互影响密不可分的。

人体热调节系统的组成是相当复杂的。

该系统由外周和中枢温度感受器、体温调节中枢、效应器等构成[3]。

集中表现在热环境内的出汗、血管扩张、脉搏加快、体表温度上升；冷环境下的代谢增强、血管收缩、体表温度下降、寒颤等生理现象。

研究不同室内热湿环境下人体生理的变化，同时结合热舒适主观的评判对合理评判室内热舒适温湿度范围具有指导意义。

2 夏热冬冷地区室内温湿度特点
夏热冬冷地区的整个夏季室内热环境有的87.5%时间是不舒适的，有36.5%的时间影响居民的生活。

以重庆主城区为例，2007年6～9月气温超过35℃的天数达到了28天，仅8月份就有21天[4]。

对照ASHRAE55-1992的舒适区指标，夏热冬冷地区的室内热湿球工况基本不在ASHRAE的热舒适区内。

因此夏热冬冷地区夏季室内的热环境非常恶劣，人们的基本生活条件都得不到保障，更谈不上热舒适。

3 实验概况
3.1人员概况
实验过程中，受试者处于静坐状态，同时为了消除服装热
阻对实验数据的影响，受试者进行了统一着装，夏季服装为统一短袖T恤、长裤、凉鞋；冬季服装为内衣、毛衣、统一外套、长裤、鞋等。

3.2 实验内容
实验在每年的夏季、冬季、过渡季节开展，分别开展人体生理测试和热感觉调查的研究。

即不同季节下人体体表温度、血压、心率及夏季人体出汗情况随空气温度、风速、湿度的变
化情况，人体对不同室温的冷热感及热环境满意度。

在实验过程中，将热电偶分别粘贴在人体的额头、小腿、胸、背部、大腿、手臂（前臂、后臂）及手掌等部位，通过多功能数据采集仪实时记录人体各部位的温度。

血压及心率的测定采用日常医用的测试仪器。

人体热感觉采用问卷的形式进行调查记录。

4 人体在不同热湿环境下的生理反应
4.1 室内热环境参数对人体体表温度的影响
体表温度和人体代谢、局部血流量及体内器官有密切的联系，它是计算人体能量损失、分析人体体温调节等生理活动的一个重要参数。

因此，人体体表的温度分布状态对于了解人体生理状态及全身的机体功能状态具有重要的意义。

图2 图3
图2 2007年夏、冬、过渡季节人体各部位温度及平均体表温度值
图3 人体平均体温在过渡季节、夏季空调环境下逐时值
图2表明，人体各部位的表面温度随着周围温度的升高而上升，健康青年在自然通风房间内冬季的平均体表温度为32.41℃，夏季高温下为34.89℃，过渡季节为34.22℃。

手背的温度受周围空气温度影响最大，冬季人体的手背出现了24.5℃和25.6℃的低温。

空气温度对额头、手臂和手掌有差异极显著的影响。

健康青年体表的温度对称性较好，其左右温差大多在0.2℃以下，最大温差不超过0.4℃，左右侧对应部位平均温度具有高度正相关，各部位均温在32.6～35.9℃之间。

就平均体表温度而言，空气温度对平均体表温度有差异极显著的影响。

冬季小于过渡季平均体表温度，夏季高温工况显著高于过渡季的平均体表温度，夏季空调工况下静坐50分钟后显著小于过渡季平均体表温度。

通过考察人体在夏季空调和过渡季节自然通风环境下的平均体表温度的变化，可以发现平均体表温度呈现出在先下降后上升的趋势。

在上述两种环境下，人体的平均体表温度在前50分钟内有一个不断下降的趋势，尤其在空调房间内，体表温度在50分钟出现了突降，随后呈现出上升的趋势并稳定在一个恒定值。

上述情况说明：人体对于热环境的适应是一个动态的过程，在恒定温度下停留较长时间后，体温会出现先降后升，最后恒定的现象。

皮肤温度随气温的增高而增高，随气温的降低而降低，在温度适中时，皮肤温度变化很小，或完全没有变化。

深入研究其机理，在温度适中时，机体此时处于最良好的热平衡状态；在温度下降时，皮肤温度随之下降的过程中，出现一次回升现象，反映机体在寒冷刺激下热调节的紧张。

在空气温度上升至一定高度时，机体大量出汗散热，此时皮肤温度即不再上升，甚至略有下降。

4.2 室内热湿环境对人体心率、血压的影响
在人体生理系统中，血压是一个调节系统，血压会随着人体的各部分在不同时候的不同需求发生变化，通常可以通过血压自动调节功能的调节，可以达到血液输出的稳定。

当人体的热平衡受到破坏时，体温调节系统就会做出一系列反应来调节产热率和辐射率，以求恢复
体温的平衡，例如心搏率与心输出量的变化、骨骼肌的活动、血管的舒张以及内脏户内分泌腺的运动等。

我们着重研究室内热湿环境对人体心率、血压的影响。

课题组于2006年夏季对不同温度、湿度、风速下的人体心率及血压进行了测试。

图4、5、6是对实验结果进行了整理成图。

图4 人体附近平均温度对人体心率、血压（收缩压、舒张压）的影响（夏季）
图5 人体附近平均湿度对人体心率、血压（收缩压、舒张压）的影响（夏季）
图6 人体附近平均风速对人体心率、血压（收缩压、舒张压）的影响（夏季）通过图4、5、6可以发现，人体心率随室内热湿环境的变化较为显著，室内热湿环境对血压的影响不显著。

室内温度是对人体心率及血压影响最大的因素。

不同湿度、风速下的t 值均小于显著性检验临界值，因此认为室内湿度、空气流速对人体血压没有显著性影响。

当温度上升时，人体心率值呈上升的趋势。

因此，在研究室内热湿环境参数对人体心率、血压的影响时，应着重研究温度变化对其影响。

此时人体附近平均温度为28.5～29.5℃（如图7）；
大部分的受试人员收缩压范围集中在90～120之
间，此时人体附近平均温度为27～29.4℃，大部
分的受试人员舒张压范围集中在50～70之间，此
时人体附近平均温度为28～30.2℃（如图8）。

可
以预测：夏季将室内温度维持在27℃到30℃范围
内对维持正常的人体心率、血压是有利的。

图8 不同温度下的人体血压（舒张压、收缩压）范围及对应人数
4.3 热湿环境参数对人体出汗的影响
人体的散热过程主要发生在身体表面上，皮肤是主要的散热器官。

生物散热机制主要包括血管运动和汗腺运动，一般情况下，皮肤的血流量决定了皮肤的温度，但是在高温中，出汗是体温调节的重要机制。

我们着重研究了空气温度、湿度对人体出汗的影响，进而探讨出汗与人体热平衡之间的相互关系。

测试部位为头皮、额头、鼻尖、颈部、胸口、背沟、腋窝、手臂、手心、大腿、脚心等11个部位。

将出汗程度分为5个等级，分别为：1——完全没有出汗；2——没出汗（但皮肤很粘）；3——稍微出汗；4——有出汗；5——出汗很多。

图9温度对人体不同部位出汗状况的影响图10 湿度对人体不同部位出汗状况的影响由图9、10可以看出，随着人体附近空气温度的上升，额头、背沟对于温度的变化最为敏感。

当人体附近温度超过30℃时，人体各部位的出汗量明显增大，尤其表现在额头、背沟、腋窝等部位。

由于条件所限，人体附近的湿度主要在50～70%间，在该范围内的湿度对人体出汗的影响并不显著。

5 热舒适主观测试
被调查人群对非空调环境下的热感觉进行了投票，将人体对室内热环境的冷热感分为7个区间：-3～3，分别代表很冷、冷、较冷、适合、较热、热、很热。

将人体对热环境的满意度分为5个区间，即1～5，代表很不满意、不太满意、无所谓、比较满意、非常满意。

图11 冷热感随气温变化示意图图12 热环境满意度随气温变化示意图
冷热感与气温相互关系的函数为y=0.48x-12.9，热环境满意度与气温相互关系的函数。